基于CMOS工艺的60GHz和Q波段低噪声放大器噪声抵消技术研究

目前的CMOS毫米波低噪声放大器设计由于缺乏准确的毫米波MOSFET和无源器件的噪声模型、适用于毫米波频段的噪声测量方法和有效的毫米波电路拓扑结构，其性能指标受到了极大的限制，不能满足全球60GHz及我国Q-LinkPAN标准的毫米波短距离通信需求。本项目围绕建立毫米波无源和有源器件的噪声模型、开发高效的噪声抵消技术等设计CMOS毫米波低噪声放大器的关键问题展开研究，包括：（1）研究基于固定阻抗的毫米波CMOS场效应管噪声测量原理；（2）毫米波CMOS无源器件的电-磁-热耦合效应（3）利用传输线反馈噪声抵消技术的毫米波低噪声放大器。该项研究将促进电磁场与微波技术、噪声理论、电路原理等领域在毫米波集成电路方向的交叉融合，填补毫米波MOSFET噪声模型和测量方法的空白，创新CMOS毫米波低噪声放大器设计方法，为CMOS毫米波集成电路在毫米波短距离通信方面的应用打下基础。

随着社会对无线通信数据率要求越来越高，毫米波频段的短距离通信受到了各界的广泛关注。但是由于当前缺乏适用于毫米波频段的硅基有源及无源器件模型、有效的毫米波关键电路模块的拓扑结构，严重制约了硅基毫米波收发前端的性能及其应用。因此，本项目首先深入研究了毫米波硅基的电磁传输特性，并取得了可观的成果：（1）通过探索场效应管高频特性，建立了CMOS场效应管的外部寄生模型及高频小信号模型；（2）对毫米波硅基无源器件的电磁特性和电磁耦合效应开展了全面地研究，提出了适用于毫米波频段多电感耦合模型以及任意比毫米波变压器模型。在毫米波频段的器件特性及模型研究的基础上，本课题组进一步开展了毫米波收发系统关键模块的研究设计工作并取得一系列的成果：（1）提出了基于噪声抵消技术的Q波段低噪声放大器，降低了其噪声系数；（2）为了克服毫米波频段功率放大器输出功率较低及分布式变压器的平衡性较差的问题，提出了一种新型的八路完全对称的分布式片上变压器结构，实现了16.8dB 功率增益，21dBm饱和输出功率60GHz功率放大器设计。（3）基于可调电流分离技术，提出了一个新型的60GHz矢量合成移相的构架，实现了较高的移相准确度和有效地降低了功耗。